DE102019204569A1

DE102019204569A1 - Elektrischer Antrieb

Info

Publication number: DE102019204569A1
Application number: DE102019204569.3A
Authority: DE
Inventors: Matthias Ahrens; Markus Baumann; Georg Bernreuther; Norbert Chemnitz; Ludwig Hager
Original assignee: Buehler Motor GmbH
Current assignee: Buehler Motor GmbH
Priority date: 2019-04-01
Filing date: 2019-04-01
Publication date: 2020-10-01
Also published as: WO2020200374A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Antrieb (1) mit einem kontaminierten Bereich (2) und einem Schutzbereich (3), in welchem eine Elektronik (4) angeordnet ist, wobei zwischen dem kontaminierten Bereich (2) und dem Schutzbereich (3) eine Dichtwand (5) vorhanden ist, durch welche eine elektrische Durchführung (6) verläuft. Aufgabe der Erfindung ist es eine Elektronik in einem Schutzraum vor eindringenden Schadmedien zu schützen und die Wärmeabfuhr aus dem Schutzraum zu verbessern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Antrieb (1) mit einem kontaminierten Bereich (2) und einem Schutzbereich (3), in welchem eine Elektronik (4) angeordnet ist, wobei zwischen dem kontaminierten Bereich (2) und dem Schutzbereich (3) eine Dichtwand (5) vorhanden ist, durch welche eine elektrische Durchführung (6) verläuft.
Bei herkömmlichen elektrischen Antrieben ist der Schutzraum mit Luft gefüllt. Luft ist jedoch komprimierbar und bietet einem eindringenden Medium aus einem kontaminierten Bereich keinen nennenswerten Widerstand. Zudem ist Luft ein sehr schlechter Wärmeleiter, so dass Wärme die im Schutzbereich in elektronischen Leistungsbauteilen entsteht nur mit erheblichem Aufwand an die Umgebung abgegeben werden kann. Im kontaminierten Bereich können sich elektrisch leitfähige Medien, leitfähige Partikeln enthaltende Medien oder korrosive Medien befinden, die entweder Kurzschlüsse verursachen können oder Kontakte auf einer Leiterplatte beschädigen oder zerstören können. Der gattungsgemäße elektrische Antrieb kann beispielsweise als Getriebeölpumpe eingesetzt werden, wobei ein mit einer Reihe von oft unbekannten Additiven geimpftes Getriebeöl zum Einsatz kommt, welches auch bei geringen Benetzung der Elektronik zu Schäden führen kann.
Aufgabe der Erfindung ist es eine Elektronik in einem Schutzraum vor eindringenden Schadmedien zu schützen und die Wärmeabfuhr aus dem Schutzraum zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Durch die nichtleitende Flüssigkeit wird verhindert, dass unter Druck stehende Medien aus dem kontaminierten Bereich in den Schutzbereich gelangen können, weil Flüssigkeiten kaum kompressibel sind und einen sehr guten Widerstand gegen eindringende Medien bieten. Zudem leiten Flüssigkeiten Wärme in der Regel deutlich besser als Gase, wie Luft.
Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen dargestellt. Es ist vorgesehen, dass die Elektronik (4) vollständig oder teilweise von der nichtleitenden Flüssigkeit (7) umgeben ist. Nur so ist gewährleistet, dass alle Bereiche geschützt sind.
Weiter ist vorgesehen, dass die elektrische Durchführung (6) in oder an der Dichtwand (5) durch eine Dichtung (9) abgedichtet ist. Die Dichtung verhindert, dass sich Konzentrationsunterschiede zwischen unterschiedlichen Medien ausgleichen können.
Zweckmäßigerweise weist die Elektronik (4) eine Leiterplatte (10) auf, welche elektronische Bauteile (8) trägt und mit der Durchführung (6) in elektrischem Kontakt steht. Leiterplatten lassen sich einfach vorfertigen und als Baugruppe einfach montieren.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Dichtwand (5) mit einer Abstützung (20) und/oder Befestigung für die Leiterplatte (10) einstückig oder sie bildet die Aufnahme für ein die Leiterplatte (10) lagerndes Bauteil. Die Leiterplatte (10) kann mit der Dichtwand (5) oder dem Elektronikgehäuse (11) verschraubt oder zwischen der Dichtwand (5) und dem Elektronikgehäuse eingeklemmt sein. In der Regel sind mehrere Abstützungen (20) erforderlich.
Die Kühleigenschaften der nichtleitenden Flüssigkeit (7) wird durch Konvektion verbessert, bei welcher Wärme von der Elektronik (4) an eine Wärmesenke transportiert wird. Je nach Geometrie und Temperaturgradient innerhalb des Schutzbereichs (3) kann es zu einer natürlichen Konvektion kommen.
Die Wärmesenke ist vorzugsweise eine Wand des Elektronikgehäuses (11).
In der Regel wird die natürliche Konvektion nicht ausreichend sein, so dass vorgeschlagen wird die Konvektion durch einen rotierenden Körper hervorzurufen oder zu unterstützen.
Der rotierende Körper kann ein Magnetrührer (23) aus einem weichmagnetischen oder einem hartmagnetischen Material sein. Auf diese Weise ist eine einfache Übertragung der Bewegungsenergie durch die Dichtwand möglich.
Eine noch bessere Abfuhr der in der Elektronik entstehenden Wärme kann durch eine zusätzliche Kühlung über einen externen Kühlkreislauf (27) erfolgen, bei welchem die nichtleitende Flüssigkeit (7) zu einem externen Wärmetauscher oder Kühlkörper (28) geleitet wird.
Sinnvollerweise ist vor allem darauf zu achten, dass Leistungsbauteile der Elektronik (4) ganz oder teilweise in der Flüssigkeit (7) angeordnet sind, da diese die Hauptwärmeerzeuger sind.
Besonders vorteilhaft ist es den Schutzbereich nicht vollständig mit einer verdampfbaren Flüssigkeit zu Füllen. Diese Flüssigkeit kann bei Erreichen eines erhöhten Temperaturniveaus verdampfen und dadurch Verdampfungswärme aus der Flüssigkeit aufnehmen und bei einem Kondensationsvorgang an der kühleren Außenwand des Elektronikgehäuses (11) wieder abgeben. Von der Außenwand wird die Wärme durch Konvektion und/oder Wärmestrahlung an die Umgebung abgeführt.
Damit keine hohen Drücke im Schutzbereich während des normalen Betriebstemperaturbereichs auftreten, wird die nichtleitende Flüssigkeit so gewählt, dass deren Verdampfungstemperatur unterhalb oder gleich der maximal zulässigen Einsatztemperatur der elektronischen Leistungsbauelemente ist.
Da unterschiedliche elektronische Bauteile verwendet werden können, welche unterschiedliche maximal zulässige Einsatztemperaturen aufweisen, wird eine Verdampfungstemperatur der nichtleitenden Flüssigkeit (7) gewählt, die höher ist als 85°C, insbesondere höher als 125°C, insbesondere höher als 150°C.
Es ist im Übrigen sehr wichtig, den Schutzbereich (3) auch gegenüber der Umwelt abzudichten, um einen Verlust der nichtleitenden Flüssigkeit über die Lebensdauer so gering wie möglich zu halten. Aus dem gleichen Grund ist es auch sinnvoll den Schutzbereich so vollständig wie möglich mit der nichtleitenden Flüssigkeit zu füllen.
Die nichtleitende Flüssigkeit kann beispielhaft ein nichtleitendes Öl sein.
Im Übrigen ist es möglich, dass die nichtleitende Flüssigkeit (7) dem Fördermedium einer Pumpe entspricht, welche durch den elektrischen Antrieb angetrieben wird. Der Schutzbereich wird in diesem Fall vor dem ersten Einsatz der Pumpe mit einer nicht verschmutzten nichtleitenden Flüssigkeit (7) gefüllt. Die nichtleitende Flüssigkeit bewirkt einen Verdünnungseffekt für ein eintretendes Fördermedium, so dass weder eine korrosive Wirkung noch eine leitende Wirkung zum Tragen kommen. Bei gleichartigen Flüssigkeiten besteht kein Konzentrationsunterschied und demgemäß auch kein Bestreben der Flüssigkeiten ihre Konzentrationen auszugleichen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Prinzipskizze eines Teilbereichs eines elektrischen Antriebs,
2 eine Prinzipskizze einer Variante,
3 eine Prinzipskizze einer zweiten Ausführungsform,
4 eine Prinzipskizze einer dritten Ausführungsform und
5 einen elektrischen Antrieb.

Hinweis: Bezugszeichen mit Index und entsprechende Bezugszeichen ohne Index bezeichnen namensgleiche Einzelheiten in den Zeichnungen und der Zeichnungsbeschreibung. Es handelt sich dabei um die Verwendung in einer anderen Ausführungsform, dem Stand der Technik und/oder die Einzelheit ist eine Variante. Die Ansprüche, die Beschreibungseinleitung, die Bezugszeichenliste und die Zusammenfassung enthalten der Einfachheit halber nur Bezugszeichen ohne Index.
1 zeigt eine Prinzipskizze eines Teilbereichs eines elektrischen Antriebs gemäß einer ersten Ausführungsform, mit einem kontaminierten Bereich 2, einem Schutzbereich 3, einer Dichtwand 5, einer Durchführung 6, einer Durchführungsdichtung 9, einer Elektronik 4 in Form einer Leiterplatte 10 mit elektronischen Bauteilen 8 und einem Elektronikgehäuse 11. Der Schutzbereich 3 ist zu einem großen Teil durch eine elektrisch nichtleitende Flüssigkeit 7 gefüllt und die Leiterplatte 10 taucht zu einem großen Teil in diese Flüssigkeit 7 ein. Die Durchführungsdichtung 9 besteht aus einem Vergussmaterial, das innerhalb einer Ringwand 12 angeordnet ist, wobei die Ringwand 12 mit der Dichtwand 5 einstückig ist. Das Elektronikgehäuse 11 ist über eine Gehäusedichtung 17 mit der Dichtwand 5 verbunden - hier in Form eines O-Rings.
2 zeigt eine Prinzipskizze einer ersten Variante der ersten Ausführungsform mit einem kontaminierten Bereich 2a, einem Schutzbereich 3a, einer Dichtwand 5a, einer Durchführung 6a, einer Durchführungsdichtung 9a, einer Elektronik 4a in Form einer Leiterplatte 10a mit elektronischen Bauteilen 8a und einem Elektronikgehäuse 11a. Der Schutzbereich 3a ist zu einem großen Teil durch eine elektrisch nichtleitende Flüssigkeit 7a gefüllt und die Leiterplatte 10a taucht zu einem großen Teil in diese Flüssigkeit 7a ein. Die Durchführungsdichtung 9a besteht aus einem Vergussmaterial, das innerhalb einer Ringwand 12a angeordnet ist, wobei die Ringwand 12a mit der Dichtwand 5a einstückig ist. Das Elektronikgehäuse 11a ist über eine Gehäusedichtung 17a mit der Dichtwand 5a verbunden - hier in Form eines O-Rings. Zusätzlich zu 1 ist hier die Leiterplatte 10a an einer Abstützung 20a abgestützt, welche einstückig mit der Dichtwand 5a aus dieser vorspringt.
3 zeigt eine Prinzipskizze einer zweiten Ausführungsform mit einem kontaminierten Bereich 2b, einem Schutzbereich 3b, einer Dichtwand 5b, einer Durchführung 6b, einer Durchführungsdichtung 9b, einer Elektronik 4b in Form einer Leiterplatte 10b mit elektronischen Bauteilen 8b und einem Elektronikgehäuse 11b. Der Schutzbereich 3b ist zu einem großen Teil durch eine elektrisch nichtleitende Flüssigkeit 7b gefüllt und die Leiterplatte 10b taucht zu einem großen Teil in diese Flüssigkeit 7b ein. Die Durchführungsdichtung 9b besteht aus einem Vergussmaterial, das innerhalb einer Ringwand 12b angeordnet ist, wobei die Ringwand 12b mit der Dichtwand 5b einstückig ist. Das Elektronikgehäuse 11b ist über eine Gehäusedichtung 17b mit der Dichtwand 5b verbunden - hier in Form eines O-Rings. Die Leiterplatte 10b ist an einer Abstützung 20b abgestützt, welche einstückig mit der Dichtwand 5b aus dieser vorspringt. Das Elektronikgehäuse 11b weist darüber hinaus einen Fluideinlass 18b und einen Fluidauslass 19b auf, welche mit einem externen Kühlkreislauf 27b mit einem Kühlkörper 28b verbunden sind.
4 zeigt eine Prinzipskizze einer dritten Ausführungsform mit einem kontaminierten Bereich 2c einem Schutzbereich 3c, einer Dichtwand 5c, einer Durchführung 6c, einer Durchführungsdichtung 9c, einer Elektronik 4c in Form einer Leiterplatte 10c mit elektronischen Bauteilen 8c und einem Elektronikgehäuse 11c. Der Schutzbereich 3c ist zu einem großen Teil durch eine elektrisch nichtleitende Flüssigkeit 7c gefüllt und die Leiterplatte 10c taucht zu einem großen Teil in diese Flüssigkeit 7c ein. Die Durchführungsdichtung 9c besteht aus einem Vergussmaterial, das innerhalb einer Ringwand 12c angeordnet ist, wobei die Ringwand 12c mit der Dichtwand 5c einstückig ist. Das Elektronikgehäuse 11c ist über eine Gehäusedichtung 17c mit der Dichtwand 5c verbunden - hier in Form eines O-Rings. Die Leiterplatte 10c ist an einer Abstützung 20c abgestützt, welche einstückig mit der Dichtwand 5c aus dieser vorspringt. Im kontaminierten Bereich 2c ist zusätzlich eine Antriebswelle 21c dargestellt, die einen Magnetring 22c trägt. Der Magnetring 22c wirkt auf ein Flügelrad 23c ein, das auf einer Flügelradwelle 24c befestigt ist. Die Flügelradwelle 24c ist in einem Flügelradlager 25c (hier ein Kugellager) drehbar gelagert. Das Flügelradlager 25c ist in einer Lageraufnahme 26c aufgenommen. Der Magnetring 22c ist Ausgangspunkt eines magnetischen Kreises. Dieser verläuft von einem ersten Pol des Magnetrings 22c über die Dichtwand 5c zum Flügelrad 23c und von dort zurück über die Dichtwand 5c zu einem zweiten Pol. Das Flügelrad 23c wird bei einer Drehung der Antriebswelle 21c und damit des Magnetrings 22c vom Magnetfeld mitgeschleppt. Hierzu besteht das Flügelrad aus einem magnetisch leitenden Material. Das Flügelrad 23c dient dazu, Wärme, die in der Elektronik entsteht durch erzwungene Konvektion der nichtleitenden Flüssigkeit 7c abzuführen und an das Elektronikgehäuse abzugeben.
5 zeigt einen elektrischen Antrieb 1d, mit einem kontaminierten Bereich 2d, welcher hier durch den Innenraum eines Elektromotors 13d definiert ist, welcher durch ein topfförmiges Motorgehäuse 14d begrenzt ist, einen Schutzbereich 3d, welcher hier durch ein Elektronikgehäuse 11d begrenzt ist und einer Dichtwand 5d zwischen dem kontaminierten Bereich 2d und dem Schutzbereich 3d. Der Schutzbereich 3d ist mit einer nichtleitenden Flüssigkeit 7d gefüllt. Zwischen dem kontaminierten Bereich 2d und dem Schutzbereich 3d verläuft eine elektrische Durchführung 6d, die hier eine Statorwicklung (nicht dargestellt) mit einer Elektronik 4d (eine Leiterplatte ist hier nicht klar erkennbar) im Schutzraum 3d verbindet. Das Elektronikgehäuse 11d ist über Schrauben 15d am Motorgehäuse 14d befestigt. Die Durchführung 6d ist durch eine Durchführungsdichtung 9d, in Form einer Vergussmasse in der Dichtwand 5d abgedichtet. Die Vergussmasse ist dabei in einer Ringwand 12d aufgenommen. Zwischen der Dichtwand 5a und dem Elektronikgehäuse 11d ist außerhalb der Durchführungsdichtung 9d eine Lippendichtung 16d angeordnet.
Bezugszeichenliste

1: elektrischer Antrieb
2: kontaminierter Bereich
3: Schutzbereich
4: Elektronik
5: Dichtwand
6: Durchführung
7: nichtleitende Flüssigkeit
8: elektronisches Bauteil
9: Dichtung
10: Leiterplatte
11: Elektronikgehäuse
12: Ringwand
13: Elektromotor
14: Motorgehäuse
15: Schraube
16: Lippendichtung
17: Gehäusedichtung
18: Fluideinlass
19: Fluidauslass
20: Abstützung
21: Antriebswelle
22: Magnetring
23: Flügelrad
24: Flügelradwelle
25: Flügelradlager
26: Lageraufnahme
27: Kühlkreislauf
28: Kühlkörper

Claims

Elektrischer Antrieb (1) mit einem kontaminierten Bereich (2) und einem Schutzbereich (3), in welchem eine Elektronik (4) angeordnet ist, wobei zwischen dem kontaminierten Bereich (2) und dem Schutzbereich (3) eine Dichtwand (5) vorhanden ist, durch welche eine elektrische Durchführung (6) verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzbereich (3) teilweise oder vollständig mit einer nichtleitenden Flüssigkeit (7) gefüllt ist.
Elektrischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronik (4) vollständig oder teilweise von der nichtleitenden Flüssigkeit (7) umgeben ist.
Elektrischer Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Durchführung (6) in oder an der Dichtwand (5) durch eine Dichtung (9) abgedichtet ist.
Elektrischer Antrieb nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronik (4) eine Leiterplatte (10) aufweist, welche elektronische Bauteile (8) trägt und mit der Durchführung (6) in elektrischem Kontakt steht.
Elektrischer Antrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtwand (5) mit einer Abstützung (20) und/oder Befestigung für die Leiterplatte (10) einstückig ist oder die Aufnahme für ein die Leiterplatte (10) lagerndes Bauteil bildet.
Elektrischer Antrieb nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Wärme durch Konvektion der nichtleitenden Flüssigkeit (7) von der Elektronik an eine Wärmesenke transportiert wird.
Elektrischer Antrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke eine Wand des Elektronikgehäuses (11) ist.
Elektrischer Antrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Konvektion durch einen rotierenden Körper hervorgerufen oder unterstützt wird.
Elektrischer Antrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der rotierende Körper ein Magnetrührer (23) aus einem weichmagnetischen oder einem hartmagnetischen Material ist.
Elektrischer Antrieb nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzbereich (3) an einem externen Kühlkreislauf (27) angeschlossen ist, durch welchen die nichtleitende Flüssigkeit (7) zu einem externen Wärmetauscher oder Kühlkörper (28) geleitet werden kann.
Elektrischer Antrieb nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Leistungsbauteile der Elektronik (4) ganz oder teilweise in der Flüssigkeit (7) angeordnet sind.
Elektrischer Antrieb nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzbereich nicht vollständig mit einer verdampfbaren Flüssigkeit (7) gefüllt ist.
Elektrischer Antrieb nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungstemperatur unterhalb oder gleich der maximal zulässigen Einsatztemperatur der elektronischen Leistungsbauelemente ist.
Elektrischer Antrieb nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungstemperatur der nichtleitenden Flüssigkeit (7) niedriger ist als 150°C, insbesondere niedriger als 125°C, insbesondere niedriger als 85°C.
Elektrischer Antrieb nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzbereich (3) gegenüber der Umwelt abgedichtet ist.
Elektrischer Antrieb nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtleitende Flüssigkeit (7) ein nichtleitendes Öl ist.
Elektrischer Antrieb nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtleitende Flüssigkeit (7) dem Fördermedium einer Pumpe entspricht, welche durch den elektrischen Antrieb angetrieben wird.